DE2558840B1 - DEVICE TO REDUCE CAVITATION WEAR - Google Patents
DEVICE TO REDUCE CAVITATION WEARInfo
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Description
4040
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verminderung des Kavitationsverschleißes bei einer Kreiselpumpe mit durch den Einlaufstutzen hindurchgeführte!· Welle.The invention relates to a device for reducing cavitation wear in a centrifugal pump with! · shaft passed through the inlet nozzle.
Bei den für einen weiten Betriebsbereich ausgelegten Kreiselpumpen der obengenannten Art ergibt sich vor allem im Teillastbereich bei üblicherweise auf den Auslegepunkt zugeschnittenen Zulaufverhältnissen ein erhöhter Verschleiß infolge Kavitation. Je größer nun eine Kreiselpumpe und/oder je höher ihre Drehzahl ist. um so ausgeprägter werden die Kavitationszerstörungen und um so dringlicher wird es, Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Beispielsweise werden den Betreibern einer derartigen Kreiselpumpe für das Fahren im Teillastbereich Zeitbeschränkungen auferlegt. Eine andere Maßnahme bildet der Einsatz von Materialien hoher Verschleißbeständigkeit oder aber der Einbau von speziellen Verschleißteilen, welche in einem bestimmten zeitlichen Rhythmus eingesetzt werden müssen.In the case of centrifugal pumps of the above-mentioned type designed for a wide operating range, there is increased wear due to cavitation, especially in the partial load range, with inlet conditions usually tailored to the design point. The larger a centrifugal pump and / or the higher its speed. the more pronounced the cavitation damage and the more urgent it becomes to take countermeasures. For example, time restrictions are imposed on the operators of such a centrifugal pump for driving in the partial load range. Another measure is the use of materials with a high level of wear resistance or the installation of special wear parts that have to be used in a certain time rhythm.
Die die Kaviiationsprobleme bei Teillast hervorrufenden Ursachen lassen sich physikalisch wie folgt erklären: Bei Förderströmen, die je nach Auslegung kleiner als 60 - 70% des Berechnungsförderstroms sind, (>-, tritt im Außenbereich des Laufradeintritts ein ringförmiger Wirbel, der sog. Teillastwirbel, auf, der sich vom Laufrad weg entgegen der Zuströmung bewegt. Dieser Wirbel wird mit weiter verringertem Förderstrom intensiver und versperrt den Zuströmquerschnitt zum Laufrad immer mehr. Die zu kleineren Radien abgedrängte Durchflußströmung behält infolge dieser Querächnittsversperrung in etwa ihr Geschwindigkeitsniveau vom Brechnungspunkt bei, tritt aber mit kleinerer Realtivgeschwindigkeit im Nabenbereich in das Laufrad ein.The ones causing cavitation problems at part load The causes can be explained physically as follows: In the case of flow rates, depending on the design are less than 60 - 70% of the calculated flow rate, (> -, a ring-shaped vortex, the so-called partial load vortex, occurs in the outer area of the impeller inlet, which extends from the Impeller moved away against the inflow. This eddy becomes with a further reduced flow rate more intensive and more and more blocks the inflow cross-section to the impeller. The radii that are too small As a result of this cross-sectional obstruction, the displaced flow rate approximately maintains its speed level from the break point, but occurs with it lower realtiv speed in the hub area in the impeller.
Dieser Vorgang führt im Teillastbereich, in dem der Wirbel auftritt, zu einer Verringerung des NPSH-Wertes für beginnende Kavitation (NPSH1). Der Wirbel wird jedoch durch die vorhandenen Rippen oJer Einlaufkrümmer usw. in seiner Ausbildung gestört, so daß die Absenkung des NPSHtWertes nicht eintritt, sondern NPSHi bis auf ein Mehrfaches ansteigt. In der Folge stellen sich bei diesem Betrieb und den aus betrieblichen Gründen für den Normallastbereich ausgelegten Zulaufverhältnissen Kavitationsschäden ein.In the partial load range in which the vortex occurs, this process leads to a reduction in the NPSH value for the onset of cavitation (NPSH 1 ). However, the eddy is disturbed in its formation by the existing ribs or inlet elbows, etc., so that the lowering of the NPSHt value does not occur, but NPSHi increases by a multiple. As a result, cavitation damage occurs during this operation and the inlet conditions designed for the normal load range for operational reasons.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei Teillastbetrieb durch Kavitation hervorgerufenen Zerstörungen mit geringem Aufwand zu vermeiden. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß dem Laufrad der Kreiselpumpe ein an sich bekannter kegelförmiger Diffusor vorgeschaltet ist, wobei der halbe Kegelwinkel des Diffusors 5 bis 15° beträgt und das Verhältnis der Diffusor Eirarittsfläche zur Diffusor-Austrittsfläche von 0,5 bis 0,9 reicht und das dem Diffusor nachgeschaltete Laufrad am äußeren Stromfaden einen Schaufeleintrittswinkel von 8 bis 20° aufweist.The invention is based on the object of avoiding the damage caused by cavitation during partial load operation with little effort. The object is achieved in that the impeller of the centrifugal pump is preceded by a conical diffuser known per se, half the cone angle of the diffuser being 5 to 15 ° and the ratio of the diffuser surface to the diffuser exit surface ranging from 0.5 to 0.9 and the impeller downstream of the diffuser on the outer flow filament has a blade inlet angle of 8 to 20 °.
Die Erfindung läßt sich aber auch alternativ hierzu dadurch verwirklichen, daß der Diffusor als Stufendiffusor ausgebildet ist, wobei das Verhältnis der Diffusor-Eintrittsfläche zur Diffusor-Austnttsfläche von 0,5 bis 0,9 reicht und das Verhältnis der Diffusorlänge zu dem Diffusoraustrittsdurchmesser zwischen 0,2 und 1,0 liegt und das dem Diffusor nachgeschaltete Laufrad am äußeren Stromfaden einen Schaufeleintrittswinkel von 8 bis 20 Grad aufweist.As an alternative to this, however, the invention can also be implemented in that the diffuser is a step diffuser is formed, the ratio of the diffuser entrance area to the diffuser Ausnttsfläche ranging from 0.5 to 0.9 and the ratio of the diffuser length to the Diffuser outlet diameter is between 0.2 and 1.0 and the impeller downstream of the diffuser is on outer stream filament has a blade entry angle of 8 to 20 degrees.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß ein Teil der axialen Länge des Diffusors in den rotierenden Teil des Laufrades einbezogen ist und daß die Diffusorlänge vom Diffusor-Eintrittsdurchmesser bis zur Laufschaufelkante im Eintrittsdurchmesser des Laufrades reicht.The further embodiment of the invention provides that part of the axial length of the diffuser in the rotating part of the impeller is involved and that the diffuser length depends on the diffuser inlet diameter extends to the blade edge in the inlet diameter of the impeller.
Auf Grund des erfindungsgemäß gestalteten Diffusors folgt der aus dem Laufrad austretende Wirbel, dessen Umfangskomponente etwa gleich der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades an dieser Stelle und dessen Axialkomponente sehr klein ist, der Außenwand des Diffusors und wird nach innen abgedrängt. Somit wird die Umfangskomponente gemäß r · cu = konst. größer, und der statische Druck nimmt nach dem Bernoullischen Gesetz ab. Im kleinsten Diffusorquerschnitt trifft der Wirbel auf die Durchsatzströmung, die wegen des verkleinerten Querschnitts einen erhöhten Impuls aufweist. Dieser Impuls und die obengenannte Druckabsenkung genügen, um bei erfindungsgemäßer Bemessung den Wirbel zur Umkehr zu zwingen.Due to the diffuser designed according to the invention, the eddy emerging from the impeller, whose circumferential component is approximately equal to the circumferential speed of the impeller at this point and whose axial component is very small, follows the outer wall of the diffuser and is pushed inward. Thus, the circumferential component becomes larger according to r · c u = const., And the static pressure decreases according to Bernoulli's law. In the smallest diffuser cross-section, the eddy meets the throughput flow, which has increased momentum due to the reduced cross-section. This impulse and the above-mentioned pressure drop are sufficient to force the vortex to reverse when dimensioned according to the invention.
Hierdurch gelingt es, Störungen des Wirbels durch vor dem Laufrad liegende Bauteile zu vermeiden und seine positiven Auswirkungen auf den NPSHi-Verlauf zu erhalten.This makes it possible to avoid disturbances to the vortex caused by components in front of the impeller and to maintain its positive effects on the NPSHi curve.
Der erfindungsgemäß gestaltete Diffusor neigt im Vollastbereich auf Grund seines steilen Kegelwinkels bzw. durch den Sprung des Stufendiffusors zu einem Ablösen der Strömung. Das dadurch an der Wandung sich bildende energiearme Gebiet wird über den entsprechend gestalteten Einlauf des nachgeschaltetenThe diffuser designed according to the invention inclines in the full load range due to its steep cone angle or by the jump of the step diffuser to a separation of the flow. That on the wall The low-energy area that is formed is via the appropriately designed inlet of the downstream
Laufrades abgeführt Selbstverständlich ist der engste Querschnitt im gesamten Pumpeneinlauf auf die größte Fördermenge zugeschnitten.Of the impeller It goes without saying that the narrowest cross-section in the entire pump inlet is the largest Tailored delivery rate.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht in der Erweiterung des kavitationsfreien Fahrbereichs der Kreiselpumpe. Das heißt, es werden alle diejenigen negativen Begleiterscheinungen vermieden, die bisher beim Betrieb mit kavitierender Kreiselpumpe aufgetreten sind. Die Zerstörungen an den Eintrittskanten der Laufschaufeln entfallen damit ebenfalls. Neben den erheblichen Vorteilen bezüglich Betriebssicherheit und Lebensdauer ist auch der nicht zu unterschätzende weitere Vorteil zu nennen, daß die Kreiselpumpe im Bereitschaftsbetrieb mit einer Mindestmenge gefahren werden kann, weiche durch Teillastkavitationserscheinungen nicht begrenzt ist Die erforderliche Mindesimenge entspricht dann der thermisch erforderlichen Mindestmenge.The main advantage of the invention is the expansion of the cavitation-free driving range of the Centrifugal pump. That is, there will be all those Avoid negative side effects that previously occurred when operating with a cavitating centrifugal pump are. The destruction on the leading edges of the rotor blades is thus also eliminated. In addition to the The significant advantages in terms of operational safety and service life are also not to be underestimated Another advantage to be mentioned is that the centrifugal pump is operated with a minimum amount in standby mode which is not limited by partial load cavitation phenomena. The minimum amount required then corresponds to the thermally required minimum amount.
Es sind zwar Kreiselpumpen bekamt, die Saugstutzen mit Erweiterungen aufweisen. So zeigt die DT-PS fc 99 743 in Fig. 4 eine Pumpe mit einem Anpassungsstück, welches einen Übergang zwischen dem Laufradeintritt und dem vorgeschalteten Krümmer bewerkstelligen soll, bei dem jedoch die Wirkung des Diffusors nach der Erfindung nicht eintreten kann. Das eingezeichnete Laufrad besitzt eine achsparallele Eintrittskante, bei der die Teillasterscheinungen in der beschriebenen Form nicht auftreten können, die aber für den Normallastbereich bekanntlich gravierende Nachteile besitzt. Da außerdem das Laufrad in Tulfluträder unterteilt ist, sind hier die Verhältnisse bezüglich der Teiilastströmung anders.There are centrifugal pumps that have suction nozzles with extensions. This is how the DT-PS fc 99 743 in Fig. 4 a pump with an adapter, which a transition between the impeller inlet and the upstream manifold is supposed to accomplish, in which, however, the effect of the diffuser can not occur according to the invention. The drawn impeller has a leading edge parallel to the axis, in which the partial load phenomena in the described form can not occur, but the known serious disadvantages for the normal load range owns. In addition, since the impeller is subdivided into Tulfluträder, here are the ratios with respect to the Partial load flow different.
Bei dem in der Fig. 1 der DT-AS 1176 485 abgebildeten Diffusor handelt es sich um eine normale Ausführung. Diese dient zur Umwandlung der dem zu fördernden Medium innewohnenden Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie. Der öffnungswinkel solcher Diffusoren bewegt sich dabei, bezogen auf den halben Kegelwinkel, zwischen 2 und 4 Grad. Innerhalb dieser Größenordnung ist immer noch ein Anliegen der Strömung gewährleistet. Zur Lösung der in der DT-AS 15 76 485 gestellten Aufgabe wurden jedoch ganz andere Maßnahmen vorgenommen. Aufgabe und Lösung zielen in eine andere Richtung und sind mit dem Gegenstand dieser Erfindung nicht vergleichbar.In the case of the DT-AS 1176 485 in FIG. 1 The diffuser shown is a normal version. This is used to convert the to conveying medium inherent velocity energy in pressure energy. The opening angle of such Diffuser moves, based on half the cone angle, between 2 and 4 degrees. Within this Magnitude is still guaranteed to be a concern of the flow. To solve the in the DT-AS 15 76 485, however, completely different measures were taken. Task and Solutions aim in a different direction and are not comparable with the subject matter of this invention.
Durch die US-PS 23 93 933 ist für fliegend gelagerte, axiale und halbaxiale offene Laufräder mit axialem Einlauf eine Spaltstromrückführungseinrichtung bekannt, deren Aufgabe eine Wirkungsgradverbesserung im Auslegepunkt sein soll. Dazu ist der Beschaufelung des offenen Laufrades bzw. des Propellers eine Umlenkkammer vorgeschaltet bei der /wischen dem wirksamen Einlaufdurchmesser und der Gehäusewandung vor den Schaufelenden ein mit allseitigem Abstand befestigter Ring derart angeordnet ist. daß der Spaltstrom umgekehrt und in Achsrichtung dem Laufrad wieder zugeführt wird. Der bei diesen Laufradtypen an den Schaufelenden zurückfließende energiereiche Spaltstrom wird hierdurch so geführt, daß die Störung der Hauptströmung auf ein Minimum reduziert wird. Eine Beeinflussung des sieh durch Drosselung einstellenden Teillastwirbels ist damit nicht möglich.By the US-PS 23 93 933 is for overhung, axial and semi-axial open impellers with axial Inlet a gap flow recirculation device known, the task of which is an efficiency improvement should be in the design point. For this purpose the blading of the open impeller or the propeller is one Deflection chamber upstream at / between the effective inlet diameter and the housing wall in front of the blade ends a ring fastened with a spacing on all sides is arranged in this way. that the Gap flow is reversed and fed back to the impeller in the axial direction. The one with these Impeller types high-energy gap flow flowing back at the blade ends is thereby guided in such a way that the disturbance of the main flow is reduced to a minimum. Influencing the see through It is therefore not possible to reduce the setting of the partial load vortex.
Bei dem Gegenstand der US-PS 33 84 022 ist einem fliegend gelagerten Radialrad mit axialem Einlauf ein spezieller Inducer vorgeschaltet der aufgrund seines - extrem großen Durchmessers einen störungsfreien Betrieb der Kreiselpumpe im weiten Überlastbereich ermöglichen soll. Im Normallastbereich arbeitet dabei dieser Inducer bereits in einem für Axialräder nicht mehr zulässigen Betriebsbereiuh. Um die KombinationIn the subject of US-PS 33 84 022 is an overhung radial wheel with an axial inlet A special inducer is connected upstream which, due to its extremely large diameter, is a trouble-free To enable operation of the centrifugal pump in a wide overload range. Works in the normal load range this inducer is already in an operating range that is no longer permissible for axial gears. To the combination
κ, Inducer—Laufrad im Normallastbereich trotzdem störungsfrei betreiben zu können, werden querschnittsverengende Mittel vorgeschaltet, die eine Anströmung des lnducers mit Gleichdrall bewirken. Bei den Mitteln handelt es sich um Blende, Düse oder eine Kombinationκ, inducer impeller in the normal load range is still trouble-free to be able to operate, cross-section narrowing means are connected upstream, which a flow of the Effect linducers with constant twist. The means are a diaphragm, nozzle or a combination
i_s von Blende und Leitblechen. Die querschnittsverengenden Mittel sprechen hier im Teillastbereich der Maschine nicht an, da sie auf den erheblich zu groß ausgelegten Inducer abgestimmt sind. Der in diesem Fall bei Normalbetrieb zusätzlich auftretende und durch dasi_ s of aperture and baffles. The cross-section narrowing means do not respond in the partial load range of the machine, as they are adapted to the inducer, which is considerably too large. The additionally occurring in this case during normal operation and due to the
zo zu groß ausgeJegte Axialrad bedingte Kavitationsverschleiß wird durch die Verbesserung der Induceranströmung zu vermeiden versucht. zo related to large ausgeJegte axial impeller cavitation wear is trying to avoid by improving Induceranströmung.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden irn folgendenSome embodiments of the invention are shown in the drawings and will be described in the following
;.( näher erläutert. Die ; . ( explained in more detail. The
Fig. 1 und 2 zeigen Diffusoren mit stetiger Querschnittserweiterung; und die1 and 2 show diffusers with a continuous cross-sectional enlargement; and the
Fig. 3 und 4 zeigen Diffusoren mit unstetigen Querschnittserweiterungen.3 and 4 show diffusers with discontinuous cross-sectional enlargements.
(0 In der Fig. 1 sind die Strömungsverhältnisse am Diffusor 1 bei Teillastbetrieb dargestellt. Der aus dem Laufrad 2 austretende Wirbel 3, dessen Umfangskomponente etwa gleich der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades an dieser Stelle und dessen Axialkomponente (0 In Fig. 1 the flow conditions are shown in partial load operation the diffuser 1. The exiting from the impeller 2 fluidized 3, the circumferential component approximately equal to the peripheral velocity of the impeller at this point and its axial component
^ sehr klein ist, folgt der Außenwand des Diffusors und wird nach innen abgedrängt. Hierdurch wird die Umfangskomponente gemäß dem Drallsatz größer, und der statische Druck nimmt entsprechend dem Gesetz von Bernoulli ab. Im engsten Diffusorquerschnitt trifft der Wirbel auf die Durchsatzströmung, welche an dieser Stelle infolge des verkleinerten Querschnitts einen erhöhten Impuis aufweist. Dieser Impuls und die oben beschriebene Druckabsenkung reichen aus, um bei erfindungsgemäßer Bemessung des Diffusors den Wirbel zur Umkehr zu zwingen. Df. und D4 kennzeichnen den Diffusoreintritts- und -austriusdurchmesser. Der Winkel ft stellt den halben Kegelwinkel des Diffusors dar. Die Diffusorlänge ist durch L gekennzeichnet und erstreckt sich vom engsten Diffusorquer-^ is very small, follows the outer wall of the diffuser and is pushed inwards. This increases the circumferential component according to the principle of swirl, and the static pressure decreases according to Bernoulli's law. In the narrowest diffuser cross-section, the eddy meets the throughput flow, which at this point has an increased impulse due to the reduced cross-section. This impulse and the pressure drop described above are sufficient to force the vortex to reverse when the diffuser is dimensioned according to the invention. Df. And D 4 indicate the diffuser inlet and outlet diameter. The angle ft represents half the cone angle of the diffuser. The diffuser length is characterized by L and extends from the narrowest diffuser cross
^o schnitt bis zur Laufradschaufeleintrittskante.^ o cut to the leading edge of the impeller blade.
F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem ein
Teil der axialen Länge des Diffusors 1 als verlängerter Laufradhals 4 ausgeführt ist
Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei AusführungsbeispieleF i g. 2 shows an exemplary embodiment in which part of the axial length of the diffuser 1 is designed as an elongated impeller neck 4
FIGS. 3 and 4 show two exemplary embodiments
s- von Stufendiffusoren 5. Die erfindungsgemäße Wirkung hängt hierbei vom Verhältnis der Diffusorlänge L zum Diffusoraustrittsdurchmesser D* ab. Bei diesen Ausführungsbeispielen wird das Umkehren des Wirbels 3 durch die Formgebung des D'ffusors am Diffusoreintritt D1 s- of step diffusers 5. The effect according to the invention depends on the ratio of the diffuser length L to the diffuser outlet diameter D * . In these exemplary embodiments, the vortex 3 is reversed by the shape of the diffuser at the diffuser inlet D 1
,.., begünstigt. Insbesondere ist dies bei der in Fig.-1 dargestellten Hinterdi ehung 6 der Fall., .., favored. In particular, this is ehung in the embodiment shown in Fig.- 1 Hinterdi 6 of the case.
Hicr/.u 2 Blatt ZeichnungenHicr / .u 2 sheets of drawings
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: KSB AG, 6710 FRANKENTHAL, DE |
|
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |